2016 Fiscal Year Annual Research Report
スピン分解ARPESによる機能性薄膜ハイブリッドの創出
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15H02105
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 隆 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 教授 (00142919)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 宇史 東北大学, 理学研究科, 准教授 (10361065)
相馬 清吾 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 准教授 (20431489)
中山 耕輔 東北大学, 理学研究科, 助教 (40583547)
菅原 克明 東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 助教 (70547306)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 物性実験 / 光電子分光 / トポロジカル絶縁体 / グラフェン / 高音超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年に引き続き薄膜ハイブリッドMBEシステムの構築・整備を行った。二次元薄膜の電子状態について、スピンまで分解した精密な電子構造解析を行うために、現行の超高分解能スピン分解光電子分光装置のターゲット散乱チャンバーを改良・整備を行なった。具体的には、磁性元素の蒸着レート、酸素分圧、成長温度などを再検討して、高いシャーマン関数が長期的に得られる薄膜ターゲットの条件とレンズパラメータの最適化調整を行なった。さらに、薄膜試料の光電子分光測定において、スピン分解測定時の測定効率とエネルギー・運動量分解能の飛躍的向上のために、真空紫外光源(励起光 6 eV)の組み上げ・設置を行い、スピン分解測光電子分光装置へ導入するためのレンズ系を整備した。ヘテロ界面電子状態の測定を目的として、He, Ar, Kr, Xeなどの各種希ガスの共鳴線を切り替えられる光源系を整備し、プローブ深さを変えたARPES測定により界面電子状態の評価システムを整備した。
これら装置の改良と並行して、いくつかの高機能２次元薄膜やそのハイブリッドなどの作成し、その高分解能ARPES実験を行った。その結果、単層NbSe2における1Tと2H構造の制御法の確立と、1T構造におけるモット絶縁相の発見、鉄系超伝導体FeSeの原子層薄膜の電子相図の精密決定、二層グラフェンへのアルカリ金属ドープによる電子格子相互作用の制御などに成功した。また、高絶縁性を有する新たなトポロジカル絶縁体のプラットフォームであるTlBi1-xSbxTe2の電子構造を確立した他、ワイル半金属NbP、及びトポロジカル半金属HfSiSといった新たなトポロジカル物質相の確立に成功した。さらに、希薄磁性半導体GaMnAsにおいてフェルミ準位が価電子バンド中にあることを明確に観測し、キャリヤ誘起強磁性機構としてp-d Zenerモデルの妥当性を確立した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
薄膜ハイブリッドMBEシステムの構築・整備は予定通りに進行し、スピン分解光電子分光装置とのマッチング調整、UHVポータブル移送機構の製作なども終え、高品質な薄膜を作成と、それを即座に高分解能スピン分解ARPESで評価する基本システムを構築した。実験システムが安定して稼働することで、高温超伝導体、トポロジカル絶縁体、グラフェンおよび関連物質、スピン軌道相互作用の強い層状物質などの、ハイブリッド母物質である高機能物質の高品質薄膜作成も順調に進み、単一の母物質については薄膜作成のプロトコルは確立した段階に達した。既に本格的な薄膜ハイブリッドの作成にも着手しており、物理的に興味深い知見が得られつつある。また現在、トポロジカル物質の分野において新たな物質相の理論的提案が相次いでおり、本研究においてもワイル半金属NbP、トポロジカル線ノード半金属HfSiSなどの電子状態の確立に成功した。これらの新物質は、研究計画の立案当初には存在していなかったものであり、新奇量子物質相の創製を目指す本研究の可能性をより拡げていくものと期待できる。既に、トポロジカル半金属を作成するための専用MBE装置の立ち上げも進めており、次年度から本格的な試料作成を進めていく予定である。
以上の研究成果に基づき、平成28年度は概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は最終年度であり、薄膜ハイブリッドMBEシステムと３次元スピン分解光電子分光装置で構成させる全システムのマッチング調整を行い、高機能薄膜物質の超高分解能スピン分解光電子分光測定を実現する。とりわけ、高輝度紫外光源の光学系の調整などを進め、測定試料上での励起光スポットを微小化して、薄膜試料のエッジなど微小領域の電子状態研究を可能とし、さらに光源強度を上げ、装置全体としてスピン検出の効率を向上させる。
最終調整した装置を用い、二次元薄膜の電子状態について、スピンまで分解した精密な電子構造解析を行う。薄膜ハイブリッドの母材料となるトポロジカル絶縁体、ラシュバ・強磁性金属、高温超伝導体、およびグラフェンの高品質薄膜を作成し、スピン分解ARPESにより、その基盤電子状態を決定する。さらに、それらの薄膜ハイブリッドを作成し、接合領域における電子構造を決定する。具体的には、ディラック半金属相とワイル半金属相の探索、線ノードディラック半金属物質で観測された表面電子状態のスピン状態の解明、トポロジカル絶縁体の新たな高絶縁体の探索、SiC基板上に積層数を制御したグラフェンの超伝導化と超伝導機構の解明、超伝導・CDW物質とラシュバ金属との薄膜ハイブリッドによるエキゾチック超伝導や新規トポロジカル物質相の探索、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドなどの原子層材料やそのハイブリット系における、スピン軌道相互作用に起因した新奇スピン物性の探索と解明を行う。
次年度は最終年度であるので、今までの研究の総括を行う。トポロジカル絶縁体、高温超伝導体、グラフェン、ラシュバ・強磁性金属の母物質とそのハイブリッドにおける超高分解能スピン分解ARPESの結果の相互比較を行い、新奇量子現象発現やデバイス応用に資する基盤電子構造を確立する。
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Research Products
(61 results)
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[Journal Article] Direct Observation of Nonequivalent Fermi-Arc States of Opposite Surfaces in Noncentrosymmetric Weyl Semimetal NbP2016
Author(s)
S. Souma, Z. Wang, H. Kotaka, T. Sato, K. Nakayama, Y. Tanaka, H. Kimizuka, T. Takahashi, K. Yamauchi, T. Oguchi, K. Segawa, and Y. Ando
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Journal Title
Physical Review B
Volume: 93
Pages: 161112(R)
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Electric Properties of Dirac Fermions Captured into 3D Nanoporous Graphene Networks2016
Author(s)
Y. Tanabe, Y. Ito, K. Sugawara, D. Hojo, M. Koshino,T. Fujita, T. Aida, X. Xu, K. K. Huynh, H. Shimotani, T. Adschiri, T. Takahashi, K. Tanigaki, H. Aoki, and M. Chen
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Journal Title
Advanced Materials
Volume: 28
Pages: 10304
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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